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正文內(nèi)容

太陽能與電能的智能型路燈控制系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-08-13 17:02 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 面就硅晶體做成的半導體加以說明。眾所周知,摻有磷雜質(zhì)的硅含有多余電子,稱為 N型半導體;摻有硼雜質(zhì)的硅含有多余正電荷,稱為 P型半導體。若將兩者結(jié)合,稱為 PN結(jié),這就是半導體器件的最基本結(jié)構(gòu)。太陽能電池同樣是利用了 PN結(jié)的光伏效應。 在 PN結(jié)中, P型半導體的電子受到拉力, N型半導體的正電荷受到拉力,在結(jié)合處形成 正負抵消的區(qū)域,形成阻擋層。此時,如有光照射,則激發(fā)電子自由運動流向 N型半導體;正電荷則集結(jié)于 P型半導體,從而產(chǎn)生了電位勢。如果外接燈泡 (負荷 ),就有電流流動 [3]。 (2)硅太陽能電池工作原理及結(jié)構(gòu) 硅原子有 14個電子,分布在三個電子層上,里面的兩個電子層均已填滿,只有最外層缺少四個電子為半滿。為了達到滿電子層穩(wěn)定結(jié)構(gòu),每個硅原子只能和它相鄰的四個原子結(jié)合成共用電子對,平面看起來就像所有的原子都是手挽手,交錯連接形成它特有的晶體結(jié)構(gòu),把每個電子都固定在特定的位置上,不能像銅等良導體中的自由電子那樣自由移動 ,因此,也就決定 8 了硅不是電的良導體。實際用于太陽能電池的硅是經(jīng)過特殊處理的,也就是采取了摻雜工藝。 N型半導體中含有較多的空穴,而 P型半導體中含有較多的電子。當 P型和 N型半導體結(jié)合在一起時,在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層,界面的 P型一側(cè)帶負電, N型一側(cè)帶正電。這是由于 P型半導體多空穴, N型半導體多自由電子,出現(xiàn)了濃度差。 N區(qū)的電子會擴散到 P區(qū), P區(qū)的空穴會擴散到 N區(qū),一旦擴散就形成了一個由 N指向 P的“內(nèi)電場”,從而阻止擴散進行。達到平衡后,就形成了這樣一個特殊的薄層,這就是 PN結(jié)。 當摻雜的 硅晶片受光后, PN結(jié)中, N型半導體的空穴往 P型區(qū)移動,而P型區(qū)中的電子往 N型區(qū)移動,從而形成從 N型區(qū)到 P型區(qū)的電流。然后在 PN結(jié)中形成電勢差,這就形成了電源。 由于半導體不是電的良導體,電子在通過 PN結(jié)后,如果在半導體中流動,電阻非常大,損耗也就非常大。如果在上層全部涂上金屬,陽光就不能通過,電流就不能產(chǎn)生,因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋 PN結(jié)(如梳狀電極),以增加入射光的面積 [4]。 (1)晶體硅太陽能電池發(fā)展 1839年,法國 Becqueral第一次在化學電池中觀察到光伏效應。在 太陽能能電池的整個發(fā)展歷程中,先后出現(xiàn)過各種不同結(jié)構(gòu)的電池,其中同質(zhì)PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)自始自終占主導地位,其他結(jié)構(gòu)對太陽能電池的發(fā)展也有重要影響。 由于科技的進步,晶圓厚度、切割技術(shù)、晶圓尺寸,以及晶圓價格,均有了長足的改善。 (2)晶體硅太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元,太陽能電池單體的工作電壓約為 ,工作電流為 20~ 25mA/cm2,一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串、并聯(lián)封裝后,就成為太陽能電池組件,其功率一般為幾瓦至幾十瓦,是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電 池再經(jīng)過串、并聯(lián)組合安裝在支架上,就構(gòu)成了太陽能電池方陣,可以滿足負載所要求的輸出功率,如圖 21所示。 9 單體 組件 方陣 圖 21 太陽能電池單體、組件和方陣 常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組成,在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線,下表面是金屬層。硅片本身是 P型硅,表面擴散層是 N區(qū),在這兩個區(qū)的連續(xù)處就是所謂的 PN結(jié)。 PN結(jié)形成一個電場。太陽能電 池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋,以減少太陽能的反射損失 [5]。 (3)太陽能電池組件 太陽能電池組件的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化成電能后,輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池組件是太陽能光伏系統(tǒng)中最重要的部件之一,其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽能電池是否具有使用價值的重要因素。 太陽能電池組件可組成各種大小不同的太陽能電池方陣,亦稱太陽能電池陣列。太陽能電池板的功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān),面積越大,在相同光照條件下的輸出功率也越大。太陽能電池板的優(yōu)劣主要由開路電壓和短路電流這兩項指標來衡量。 太陽能電池組件由以 下材料組成 [6]: 電池片、鋼化玻璃、 EVA、 TPT、鍍錫銅帶、密封膠、接線盒、邊框。 太陽能電池組件設計 根據(jù)設計指標要求,為滿足功率 18W的 LED每天工作十小時,保證連續(xù)3~ 5個陰雨天持續(xù)工作,太陽能電池板每天接收 6小時 1000W/m2強度太陽光,電池板吸收太陽能量到 LED的功率損耗為 20%。 太陽能電池組件的電氣參數(shù)設定如下: 10LED按 5天每天工作十小時計算, 消耗能量: P1=18 50 3600=3240000J 太陽能電池板所需功率: P2=P1/=4050000J W=P2/6/3600= 組件選用 180W,可提供 30V充電電壓的排布方式 [7]。 11第 3章 蓄電池充電與 LED 路燈控制技術(shù) 蓄電池主要參數(shù) 了解蓄電池主要參數(shù)的物理意義是光伏照明系統(tǒng)中有效使用蓄電池的前提之一,其具體參數(shù)如下: 1.蓄電池體內(nèi)電動勢 電動勢為蓄電池在理論上輸出能量多少的亮度。一般來說,在相同的條件下,電動勢愈高的蓄電池,輸出的能量愈大,使用價值愈高。理論上,蓄電池的電動勢等于組成蓄電池的兩個電極的平衡電動勢之差。 2.開路電壓與工作電壓 蓄電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。其值等于蓄電池的電動勢。蓄電 池接通負荷后在放電過程中顯示出來的電壓,亦稱負載電壓或放電電壓。在蓄電池放電初始時的工作電壓稱為初始工作電壓。 3.蓄電池的容量 蓄電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為蓄電池的容量,該容量是蓄電池能放出電量的總和。常用單位為安培小時,簡稱安時 (Ah)。 4.蓄電池內(nèi)阻 電流通過蓄電池內(nèi)部時受到各種阻力,使蓄電池的電壓降低,該阻力總和稱為蓄電池的內(nèi)阻。蓄電池內(nèi)阻是一個綜合參數(shù),是活性物質(zhì)、電介質(zhì)、隔膜、電極接頭等所有蓄電池內(nèi)部電阻之和。蓄電池內(nèi)阻不是參數(shù),因為活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變, 所以蓄電池內(nèi)阻在放電過程中隨時間也在不斷變化。 5.蓄電池的能量 蓄電池的能量是指在一定放電制度下,蓄電池所能給出的電能,通常用瓦時表示,它也表示蓄電池放電的能力。 6.蓄電池功率與比功率 蓄電池的功率是指在一定放電制度下,單位時間內(nèi)所給出能量的大小,單位為 W(瓦 )或 KW(千瓦 )。單位質(zhì)量蓄電池所能給出的功率稱為比功率,單位為 W/g或 KW/g。蓄電池比功率越大,表示可以承受的放電電流越 12大。 7.蓄電池的輸出效率 蓄電池的輸出效率也稱為充電效率。光伏照明系統(tǒng)所選擇的蓄電池應為可逆的蓄電池,實際的蓄電池都不能作 為理想的儲能器,在工作過程中必有一定的能量消耗,通常用容量輸出效率和能量輸出效率來表示。 蓄電池的充電 蓄電池的充電方式 充電是蓄電池得以可持續(xù)工作的重要手段,也是光伏照明系統(tǒng)得以持續(xù)工作的必備條件。充電設備和充電技術(shù)是做好充電工作的重要技術(shù)基礎。傳統(tǒng)的充電方式可分為恒流充電、恒壓充電及其它類型 [8][9]。 1.恒流充電 恒流充電方式是一直以恒定不變的電流進行充電,該電流采用控制充電器的方法來達到。這種通過控制充放電器維持電流的方法操作簡單、方便,易于做到。該充電方法特別適合于由多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池 組。要使蓄電池放電慢,且其容量易于恢復,最好采用這種小電流長時間的充電模式。 恒流充電方式的不足是:開始充電階段恒流值比可充值小,在充電后期恒流值又比可充值大;整個充電時間長,析出氣體多,對極板沖擊大,能耗高,充電效率不超過 65%。一般免維護的蓄電池不宜于使用此方法。 分段恒流充電是恒流充電的一種變型。該方法是在充電后期 , 把電流減小,以避免充電后期電流過大。通常按照光伏照明系統(tǒng)的要求以及蓄電池的特性來確定充電電流的大小、時間、轉(zhuǎn)換電流的時刻以及充電終止的判斷依據(jù)等。 2.恒壓充電 該方法主要針對每只單體蓄電 池以某一恒定電壓進行充電。充電初期電流非常大,隨著充電進行,電流逐漸減小,在充電終期只有很小的電流通過。此方法比較簡單,充電過程中不需要調(diào)整電流。充電過程中析氣量小,充電時間短,能耗低,充電效率可達 80%。如充電電壓選擇得當,可在數(shù)小時內(nèi)完成充電。其缺點是:在充電初期,如果蓄電池放電深度過深,充電電 13流會很大,不僅危及充電器的安全,蓄電池也可能因過流而受到損傷;另一方面,如果充電電壓選擇過低,后期充電電流又過小,充電時間過長,不適宜串聯(lián)數(shù)量多的蓄。電池組充電;同時,蓄電池端電壓的 變化很難補償,充電過程中對低電 壓蓄電池的完全充電也很難完成。恒 壓充電一般應用在蓄電池組電壓較低的場合。 3.恒壓限流 采用恒壓限流的方法主要為彌補恒壓充電的缺點。在光伏照明系統(tǒng)的充放電器與蓄電池之間串聯(lián)一個電阻。當電流大時,其上的電壓降也大,從而減小了充電電壓;當電流小時,由于電阻上的電壓降也很小,充電器輸出電壓降損失就小。這樣就自動調(diào)整了充電電流,使之不超過某個限度,充電初期的電流得到控制。該方法的缺點是串聯(lián)電阻將消耗部分電能。 4.快速充電 快速充電一般使電流以脈沖方式輸給蓄電池,并隨著充電時間的延續(xù),蓄電池有一個瞬時間的大電流放電 ,使其電極去極化。它能在短時間內(nèi)將蓄電池充足電,既不用恒流大電流,也不用較高的恒定電壓,后兩者都會使蓄電池很快升溫,損傷電極和浪費電能。 快速充電由專用的充電器提供脈沖電流,它能保證充電時既不產(chǎn)生大量氣體又不發(fā)熱,從而達到縮短充電時間的目的。快速充電是光伏照明系統(tǒng)中充電的主要模式之一。 5.智能充電 智能充電是動態(tài)地自動跟蹤蓄電池可接受的充電電流,使充電電流與蓄電池內(nèi)部極化電流相一致,也稱為最小損 耗充電模式。在常規(guī)的充電技術(shù)中,不能動態(tài)跟蹤蓄電池的實際狀態(tài)和 接受充電電流大小。智能充電系統(tǒng)由充電器與被充電蓄電 池組成二元閉環(huán)電路,充電器根據(jù)蓄電池的狀態(tài)確定充電參數(shù),充電電流自始至終處在可接受的充電電流曲線附近,使蓄電池幾乎在無氣體析出條件下充電,做到既節(jié)約用電又對蓄電池無損傷。該充電方式的實施需要知道蓄電池接受充電電流曲線,智能充電是光伏照明系統(tǒng)中充電技術(shù)的發(fā)展方向。 蓄電池的充電拓撲結(jié)構(gòu) 直流斬波電路,即 DC/DC變換器的功能是通過控制主回路中的電子開 14關(guān)的通斷,將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)的直流電。直流斬波電路的種類較多,包括 6種基本的斬波電路:降壓斬波電路 (Buck Chopper)、升壓斬波電路 (Boost Chopper)、升壓降壓斬波電路、 Cuk斬波電路、 Sepic 斬波電路和 Zeta斬波電路,其中前兩種是最基本的電路。一方面這兩種電路應用最為廣泛,另一方面理解這兩種電路可為理解其他電路打下基礎 [10]。 基于 UC3906 的蓄電池充電器 UC3906作為 VRLA蓄電池充電專用芯片,它具有實現(xiàn) VRLA蓄電池最佳充電所需的全部控制和檢測功能。更重要的是它能使充電器各種轉(zhuǎn)換電壓隨VRLA蓄電池電壓溫度系數(shù)變化而變化,從而使 VRLA蓄電池在很寬的溫度范圍內(nèi)都能達到最佳充電狀態(tài)。 UC3906內(nèi)部框圖如圖 31所示。該芯片內(nèi)含有獨立的電壓控制回路和限流放大器,它可以控制芯片內(nèi)的驅(qū)動器。該驅(qū)動器的輸出電流可達 25mA,可直接驅(qū)動外部串聯(lián)調(diào)整管,從而調(diào)整充電器的輸出電壓和電流。電壓和電流取樣比較器用來檢測蓄電池的充電狀態(tài),并且控制充電狀態(tài)邏輯電路的輸入信號。當電池電壓或溫度過低時,充電起動比較器控制充電器進入涓流充電狀態(tài)。另外,當芯片內(nèi)的驅(qū)動器無輸出時,該比較器還能輸出 25mA涓流充電電流。這樣 , 當電池短路或反接時,充電器開始只能輸出很小的充電電流,可以避免因充電電流過大而損壞電池。 UC3906的一個非常重要的特 性是:基準電壓隨環(huán)境溫度而變,并且變化規(guī)律與鉛酸電池電壓的溫度特性完全一致。因此,在很寬的溫度范圍(0~70℃ )內(nèi),都能精確地檢測環(huán)境溫度,保證電池既充足電又不會嚴重過充電。 UC3906的電源電流只有 ,芯片的功耗很小。該芯片中,還有欠壓檢測電路。當電源接通后,欠壓檢測電路還能使邏輯電路輸出信號 。 指示輸入電源已經(jīng)接通。在過充電終止輸入端加入控制信號,可以終止過充電狀態(tài),在過充電指示輸出端加入外接元件,可以監(jiān)控電他的過充電狀態(tài)。 15驅(qū)動器R QL1S2 5 0 m V2 5 m V電流取樣限流起動比較器電壓取樣比較器V r e f欠壓檢測V r e f2 . 3 0 V25 ℃3 . 9 m V /℃V r e fV r e f+ V i nR QL2S電壓放大器高 9 5 V r e f低 9 V r e f4132CLC S O U TC S +電源指示過充電終止 875+ V I NGND 6流入16流出15補償1413 電壓檢測11 涓流偏置12 充電起動10狀態(tài)電平控制9 過充電指示C S 圖 31 UC3906內(nèi)部結(jié)構(gòu) 表 31和 32分別介紹了 UC3906的管腳功能和電氣參數(shù) [11]。 表 31 UC3906 管腳功能
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